城市排水管网物联网技术研究与应用
城市排水管网物联网技术研究与应用
刘旭辉1，张金松1，王荣和2，赵冬泉3
(1.哈尔滨工业大学深圳研究生院，广东深圳518055；2.清华大学深圳研究生院，广东深圳518055；3.北京清控人居环境研究院，北京100083)
以深圳市福田保税区为研究对象，探讨了城市排水管网物联网系统的构建方法和应用前景。首先介绍了排水管网物联网技术的内涵，并结合排水管网系统特点阐述了排水管网物联网技术中三个层次的设计方法；其次通过物联网技术中的后台主机系统分析功能对排水管网的现状运行情况和存在问题进行了评估；最后总结了示范区排水管网物联网系统的构建方法和应用前景。
近几年，我国多个城市在雨季发生了不同程度的内涝事件。城市内涝的成因较综合、复杂，既有城市下垫面硬化造成的洪峰提前和汇流量急剧增加，也有城市热岛效应造成的极端气候频发；既有排水管道规划设计重现期偏小，也有管道设计方法的不科学；既有城市建设过程中管道施工质量欠佳，也有管道建成后运营管理手段薄弱。在城市下垫面、气候变化、既有管道结构及质量等客观因素无法改变的城市建成区，只有通过加强管网运营管理手段，才能在一定程度上减少或避免城市内涝的频繁发生。
目前，对国内大多数排水管网运营企业来讲，排水管网的日常运营基本属于被动和无序组织状态，大部分城市排水管网资产不清、管网拓扑结构不明、信息化管理手段严重落后。改变此种现象的主要技术方法即为大力发展排水管网信息化，有条件的地区可以建立排水管网物联网系统，通过运行参数的长期监测，辅助应急事件的预警与处置，从而制定科学合理的管网养护方案。
1 排水管网物联网技术概述
排水管网物联网主要由感知层、网络层及应用层组成（见图1）。从仿生学观点来看，感知层类似于“感觉器官”，网络层类似传递信息的“神经系统”，应用层就是识别分析和智能控制的“大脑”。
1.1 感知层
感知层主要由位于排水系统各个关键节点上的液位、流量、水质、毒性等在线监测仪表以及视频监控设备组成，利用网络技术传输至应用层，通过识别筛选、建模分析，获取针对性的实时应用信息，智能化地制定各种运行调控措施。
1.2 网络层
网络层是连接感知层和应用层的纽带。目前的网络技术包括3G、Zigbee、Wlan、Wimax、UWB、WSN、蓝牙和移动通讯等形式，可根据排水系统采集点的分布特点分别采用不同的网络技术。排水管网数据采集点分布较为分散，采用有线网络费用较高，无线传输较为适宜，如3G、GPRS网络等；在进行排水管网流量液位监测时，需要实现井下设备与井外中继器的即时通讯，可采用Zigbee等短距离无线通讯技术。
1.3 应用层
应用层是整个排水管网物联网的中枢机构，汇聚了排水管理各项业务应用中的公共或可复用的业务处理逻辑，形成标准化的软件资源。在排水运营管理方面，需要建立数据中心，构建云服务平台，为管网委托运营提供支持；在排水设施资产管理方面，需要利用GIS对排水管网空间分布及结构数据进行管理，并通过感知层的监测和检测设备监控排水系统的动态运行规律；通过数据甄别、数理统计与排水管网模型等综合分析模式的应用，辅助排水系统的业务管理，为排水户管理、泵站调度、应急处置、设施升级改造等具体业务工作提供支持。
2 示范区物联网系统构建
福田保税区内部的雨水管道总长度为33.2 km，共有12个排放口，其中9个排放口雨水进入深圳河，3个排放口雨水进入新洲河，全部为重力自流，无雨水泵站。按照排水管网物联网系统的层次和结构，结合片区实际情况，本次排水管网物联网的各层次设计如下：
2.1 感知层——现场监测设备
由于排水管道埋藏于地下，管网数量多、范围广，且管道内部水力和水质条件复杂，环境恶劣，排水管网监测通常具有较高的成本和实施风险。因此，在制定排水管网监测方案时必须充分考虑实用性、分散与集中相结合、代表性和可行性等原则。
根据以上原则，本次排水管网物联网系统的现场监测设备选用管道液位计、河道液位计和雨量计，后期增加管道流量计及水质采样器。目前，已有的液位计分为智能型和非智能型两类。智能型传感器与非智能型传感器相比，具有数模转换、上下限报警、设备参数网络更新等功能。本次研究示范区管道液位计选用SmartWater智能监测液位仪，该仪器采用双压力冗余探头，通过合理搭配，避免测量盲区，提高测量精度，监测频率为1次/min。另外，可通过云服务管理平台，根据需要修改和设置报警上下限及设备运行参数。
智能监测液位计安装地点选择在槟榔道和桃花路交界处以南的雨水检查井内，该井地面标高为3.78 m、井底标高为-0.46 m、井深为4.24 m。井上下游为DN1 800雨水管道。另外一个安装地点在槟榔道和桃花路交界处以南的污水检查井内，由于本次分析对象为雨水系统，故本文仅对雨水管道液位计数据进行分析。
为了更好地建立排水管网物联网系统，并对排水水力模型进行校核，本次研究中在保税区内部安装了雨量计和河道的液位计。其中雨量计安装在污水泵站内，为翻斗式，每隔5 min记录并传递一次数据，河道液位计每隔5 min记录并传递一次数据。
通过上述现场在线监测设备的布设，初步构建了福田保税区排水系统在线监测系统。在此基础上，根据设备现场运行情况，增加高可靠性设备的监测布点密度，并进一步测试排水流量与水质监测设备的应用，可逐步构建完善、可靠、可长期运行的排水管网在线监测体系。
2.2 网络层——数据通讯技术
建立低成本、可靠的通讯网络系统，可将城市排水系统纳入实时监控和动态管理，使技术管理人员全面系统地了解排水系统的运行状况，做出及时有效的管理对策。由于排水管网大多分布于城市道路下，覆盖面广，故最适合的数据通讯方式应为无线通讯。以智能监测液位计为例（见图2），井内的主机和井外的中继器实行分体式设计,井内主机设备通过低功耗短距通讯与中继器快速连接，中继器可通过GPRS网络将主机记录的数据传输到后台主机系统。为保证中继器和后台主机系统及时通讯，现场需选择最佳的安装位置，一般中继器可安装在距离主机30 m以内的范围，例如电线杆、树木上等。通过分体式设计，可以减少井内主机设备的维护周期，并保证主机被淹没后仍然能进行正常通讯；同时，中继器的安装位置较为灵活，可以同时考虑GPRS信号的优良性以及今后现场维护的方便性。
2.3 应用层——后台主机系统
主机系统一般可设置在排水管理中心，也可设置在云端。排水管理人员通过分析所收集的运行数据，并结合气象、水文、季节、时间等因素，可以根据一定的数学模型，生成管理策略和全局性的运行参数，实施对整个管网系统网络的管理工作。如果设置在用户单位的管理中心，则需配置专用的计算机、相关的数据库软件，并需要定时的维护和管理，一定程度上会造成排水管理企业工作量的增加。如果设置在云端服务器，不仅可克服以上问题，而且设备还同时具备全网时间同步、数据永久储存、数据永久在线快速查询、数据故障自动恢复等功能。故本次排水管网物联网系统的后台主机系统设在云端服务器。
通过以上三个物联网结构层次的组合，排水管网物联网系统已经初步建立。用户可以通过网页端、手机端微信公众号、手机端浏览器等多种方式在线查询降雨量、管道液位等数据。并通过对数据的在线分析，判断排水管网的运行状况。如利用关键节点的监测流量进行图表和数据的统计分析，可直观发现监测点上下游排水管道的过载、溢流、淤积和渗漏等问题，并可进行定量化评估；在实际的管网系统管理中，利用物联网技术还可以对排水管网的偷排、错接等现象进行分析。
3 分析与讨论
3.1 监测液位数据
通过对2014年9月1日—9日的液位监测资料和香港尖鼻咀水文站潮汐水位（见图3）对比，发现两者的液位变化曲线形状基本一致。9月1日，监测点的最低液位为0.992 m、黄海高程为0.532 m，最高液位为2.633 m、黄海高程为2.173 m。而香港尖鼻咀的最低液位约为0.7 m，最高液位约为2.38 m，因两个点之间存在一定的距离，潮水倒流进入雨水管道需要一定的时间，亦存在一定的水面差，但两个点的最低和最高液位基本接近，相差约0.2 m。这反映出福田保税区雨水管道受潮位影响较为严重，DN1 800的雨水管道平时充满度皆在50%以上，一天内约有25%以上的时间管道内水深超过管顶标高，管道利用效率较低，暴雨时如果同时发生潮水倒灌，则极易造成管道排水不畅而引起路面积水。
3.2 数据分析
该监测点上游和下游共有30个雨水管道和31个检查井，雨水管道的长度为974 m，其中DN800的雨水管道为291 m、DN1 500的雨水管道为450 m、DN1 800的雨水管道为233 m。根据9月1日—10日的液位监测数据，最低液位的标高约为0.4 m，最高液位标高约为2.7 m，则可推出最高液位时槟榔道几乎全部管道为满水位，地下雨水管网利用效率较低，存在一定功能缺陷。
3.3 模型建立及评估
为了对该段雨水管道的排水能力和设计成果进行评估，需要建立排水水力模型，利用模型的分析功能，对不同潮位、不同降雨强度的情景进行模拟［3］。本次研究利用InfoWorks CS商业模型软件，通过一系列步骤，最终建立福田保税区排水管网模型。模型建立完成后，可通过设定不同降雨和潮汐水位情景的结合，利用水力模型的分析功能，分析排水管网系统存在问题、利用效率，并提出优化的设计方案。
除了对现状排水管网进行评估外，排水管网物联网技术还实现了管网资产管理、排水户管理、管网运行状态监控、报警设置等，大大增加了企业对排水管网的管理效率。
4 结论与建议
随着监测和通讯技术的发展和进步，物联网技术应用于排水管网运行管理是可行的。通过示范区排水管网物联网系统的构建，实现了关键点液位的实时监测，结合排水管网水力模型的分析功能，可以对现状排水管网的运行状况进行综合评估，并对下一步管网改造、系统升级提供客观的数据支撑。
排水管网物联网技术是行业发展的趋势，亦是解决排水管网运营管理中存在问题的最先进有效的方法。但由于排水管网覆盖面广、流域众多，现场传感器安装等受多方面因素限制，因此需要进一步扩大范围试点，优化传感器技术性能，并尝试研究现场监测数据与模型的基础应用模式，最终达到“动态监控管网运行情况、及时发现管网风险、科学进行管网调度”的目标。
（本文发表于《中国给水排水》杂志2015年第3期“技术总结”栏目）
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